WO2015182761A1

WO2015182761A1 - ボールねじ装置

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Publication number: WO2015182761A1
Application number: PCT/JP2015/065632
Authority: WO
Inventors: 成晃阿部; 秀幸飛鷹; 渡辺　靖巳
Original assignee: 日本精工株式会社
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2015-12-03
Also published as: TW201608152A; TWI575171B; WO2015182764A1; JPWO2015182767A1; TWI575170B; JP6044744B2; TW201608154A; TW201608153A; JPWO2015182761A1; JPWO2015182764A1; WO2015182767A1

Abstract

　ボールねじ装置のねじ軸が、Ｍｓ点が１７２℃以下で、ＤＩ値が２．８以上である高炭素軸受鋼からなり、かつ、硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層を表面から特定の領域に形成し、硬さがＨＶ５００未満である非硬化層をフェライト相及びセメンタイト相を含有する金属組織とし、更に軌道面表面の炭化物面積率が１．５面積％以上にする。

Description

ボールねじ装置

　本発明はボールねじ装置に関し、特に搬送・位置決め用に適したボールねじ装置に関する。

　ボールねじ装置は、射出成形機用途と、搬送・位置決め用途とに大別されるが、それぞれの用途に応じた品質の作りこみが必要である。そして、搬送・位置決め用のボールねじ装置では、長期間使用後もその位置精度が低下しないことが重要である。

　ボールねじ装置も転がり部品の一種であり、転動体とねじ軸との間には高い接触面圧が発生するため、塑性変形を生じない硬さが必要である。この硬さを工業生産上成立させるには、０．５質量％以上の炭素を含む炭素鋼を用いて焼入れ処理を行う必要があるが、炭素量の増加に伴って残留オーステナイトが発生しやすくなる。この残留オーステナイトは不安定な相であり、長期間の使用中にマルテンサイトへと変化し、それに伴って製品が膨張する。そして、この膨張により位置精度に狂いが生じる可能性がある。

　ボールねじ装置の熱処理方法としては、浸炭処理と高周波熱処理が行われている。浸炭処理では、低炭素鋼を素材とし、その表面のみに炭素を増加させるために、残留オーステナイトが多い部分は表面に限定され、その結果、全体の残留オーステナイト量を低く抑えることができる。更に寸法安定性が要求される場合には、サブゼロ処理または高温焼戻しが行われ、条件によっては残留オーステナイト量をゼロにすることも可能である。しかしながら、この場合も、マルテンサイトが時間の経過とともに次第に収縮する。従って、浸炭処理によって作製されたボールねじ装置では、寸法変化は避けられない状況にある。

　一方、高周波熱処理は、表面の一部の領域を焼入れする処理であり、不必要な残留オーステナイト量の増加を避けることができるため、寸法安定性に対して浸炭処理と同等以上に有利である。また、高周波熱処理は、熱処理した部分のみを加熱することができるため、浸炭に比べて設備規模を小さくすることができるという工業的利点も有する。例えば、特許文献１では、ねじ軸に高周波焼入れを行って有効硬化層を形成している。また、特許文献２では、ねじ軸に高周波焼入れを行い、有効硬化層と非硬化層とで残留オーステナイト量を規定している。

　しかしながら、加熱は短時間で行われ、発熱は鋼材表面に集中して生じるため、鋼材表面の温度が上がりやすい。このことは、焼き割れ等の様々な生産上の問題につながることが多く、それを回避するために高周波熱処理によって製造されたねじ軸は、素材に０．５％炭素鋼のＳＡＥ４１５０を用いるのが主流になっており、結果として寸法安定性以外の機能は十分とは言えない。特に、精密な位置決め用途では、ナットの移動速度が非常に低速であり、油膜の形成が不十分な状態になるが、油膜の形成が不十分になるとフレッチングと呼ばれる微小な摩耗が軌道面に発生してスムーズな軸運動が阻害される。このような摩耗に対しては、例えば表面に炭化物のような相を析出させることが有効であり、浸炭処理の方が有効であるが、寸法安定性とのバランスを考える必要がある。

　更に、長尺のねじ軸では、浸炭窒化処理等を行っても、熱処理による変寸から炭窒化物を含む有効な領域が研削により削り取られてしまうこと、長尺なねじ軸を焼入れする設備が一般的でないことから工業的な生産は容易ではない。

日本国特開２０１０－９０９２４号公報日本国特開２００５－２９９７２０号公報

　上記した理由から、寸法安定性を重視して中炭素鋼に高周波熱処理を採用したねじ軸が主流になっているが、ボールねじ装置が組み込まれる装置の大型化が進んでおり、寸法安定性を低下させずに耐摩耗性を向上させる要求が高まっているが、従来の技術では十分に対応できていない状況にある。そこで本発明は、より優れた寸法安定性と耐摩耗性とを両立させたねじ軸を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明は下記のボールねじ装置を提供する。
（１）外周面に螺旋溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸の螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有するボールナットと、前記両螺旋溝間に介挿されるとともにボールナットに設けたボール循環路によって循環可能とされた複数個のボールとを備えるボールねじ装置において、
　前記ねじ軸が、下記式１で算出されるＭｓ点が１７２℃以下で、下記式２で算出されるＤＩ値が２．８以上である高炭素軸受鋼からなり、かつ、
　硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層の表面からの深さを、ねじ軸の直径の６０％以下にするとともに、硬さがＨＶ５００未満である非硬化層がフェライト相及びセメンタイト相を含有する金属組織で、軌道面表面の炭化物面積率が１．５面積％以上であることを特徴とするボールねじ装置。
　式１＝５５０－３６１［Ｃ］－３９［Ｍｎ］－２０［Ｃｒ］－１７［Ｎｉ］－５［Ｍｏ］
　式２＝（０．２［Ｃ］＋０．１４）×（０．６４［Ｓｉ］＋１）×（４．１［Ｍｎ］＋１）×（２．３３［Ｃｒ］＋１）×（３．１４［Ｍｏ］＋１）×（０．５２［Ｎｉ］＋１）
（式中、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎｉ］は、鋼材中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの各含有量（質量％）である。）
（２）前記ねじ軸の径方向断面における平均残留オーステナイト量が、４．５体積％以下であることを特徴とする上記（１）記載のボールねじ装置。
（３）前記ねじ軸の転動面において、下記式３で算出される値が３５～５２２であることを特徴とする上記（１）または（２）記載のボールねじ装置。
　式３＝３［Ｃ］×（ＨＲＣ－５４）^２＋０．９×｛（炭化物面積率―１）／［Ｃ］）｝^２
（式中、［Ｃ］は鋼材中のＣ含有量（質量％）であり、ＨＲＣは転動面表面から２００μｍ深さまでの硬さである。）
（４）前記ねじ軸において、有効硬化層と非硬化層との境界から該ねじ軸の軸線までの距離が、該ねじ軸の螺旋溝が形成されたねじ部の全長にわたり２．５以下の標準偏差となるように有効硬化層及び非硬化層が形成されていることを特徴とする上記（１）～（３）の何れか１項に記載のボールねじ装置。

　本発明のボールねじ装置では、ねじ軸を特定の高炭素軸受鋼製とし、更に有効硬化層の形成領域を特定し、非硬化層をフェライト相及びセメンタイト相を含有する金属組織とし、軌道面表面の炭化物面積率を特定範囲にすることにより、これまでよりも優れた寸法安定性及び耐摩耗性を有することができる。そのため、搬送・位置決め用のボールねじ装置として、高い位置決め精度を長期間維持することができ、ボールねじ装置の大型化にも十分に対応することができる。

ねじ軸の軸線方向に沿った断面図であり、本発明における硬化層及び非硬化層の形成状態を説明するための模式図である。Ｍｓ点と、寿命比との関係を示すグラフである。ＤＩ値と、寿命比との関係を示すグラフである。平均残留オーステナイト量と、軸方向の寸法変化率との関係を示すグラフである。有効硬化層割合と、軸方向の寸法変化率との関係を示すグラフである。炭化物面積率と、寿命比との関係を示すグラフである。式３の値と、寿命比との関係を示すグラフである。有効硬化層深さの標準偏差と、曲がり比との関係を示すグラフである。式４の値と、寿命比との関係を示すグラフである。

　以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

　本発明のボールねじ装置は、外周面に螺旋溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸の螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有するボールナットと、前記両螺旋溝間に介挿されるとともにボールナットに設けたボール循環路によって循環可能とされた複数個のボールとを備えるが、ねじ軸を特定の高炭素軸受鋼製とし、これを熱処理して表面に有効硬化層を形成したものである。尚、ボールやボールナット等、ねじ軸以外には制限は無い。

　即ち、本発明で用いるねじ軸用の素材としては、下記式１で算出されるＭｓ点が１７３℃以下で、下記式２で算出されるＤＩ値が２．８以上である高炭素軸受鋼を用いる。
　式１＝５５０－３６１［Ｃ］－３９［Ｍｎ］－２０［Ｃｒ］－１７［Ｎｉ］－５［Ｍｏ］
　式２＝（０．２［Ｃ］＋０．１４）×（０．６４［Ｓｉ］＋１）×（４・１［Ｍｎ］＋１）×（２．３３［Ｃｒ］＋１）×（３．１４［Ｍｏ］＋１）×（０．５２［Ｎｉ］＋１）
（式中、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎｉ］は、鋼材中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの各含有量（質量％）である。）

　式１及び式２を満足する鋼材であれば制限はないが、好ましくは、炭素を０．８質量％以上含有し、他にクロム及びマンガンを必須成分として含む軸受鋼である。炭素含有量が０．８質量％未満では、本発明で規定する表面の炭化物面積率が得られない。好ましくは、炭素含有量を０．９５質量％以上にする。尚、炭素含有量の上限には制限はないが、２質量％を超えると、粗大な炭化物が残留するようになり、耐寿命性等に影響する。高炭素軸受鋼は、炭素を１質量％近く含有し、焼入れに必要な０．５質量％程度の炭素を基地に溶け込ませたとしても、十分な量の炭化物を軌道面に残存させることができ、耐摩耗性を向上させることができる。

　クロムは、焼入れ性を向上させる元素であり、０．９質量％以上含有することが好ましい。但し、クロムが過多になると、加工性が低下するようになるため、２質量％以下にすることが好ましい。マンガンもクロムと同様に焼入れ性を向上させる元素である。０．２質量％以上添加することが好ましい。但し、マンガンが過多になると加工性が低下するようになるため、２質量％以下にすることが好ましい。

　また、クロムとマンガン以外にも、モリブデンを含有することが好ましい。後述する実施例にも示すように、クロム及びマンガンとともにモリブデンの鋼中含有量が関係する式１の値を特定の範囲にすることにより、耐摩耗性をより向上させることができる。これは、クロム、マンガン及びモリブデンが炭化物に溶け込み、炭化物を硬質化するためであると推定される。

　具体的には、ＪＳＩ　Ｇ　４８０５の高炭素クロム軸受鋼や、ＩＳＯ　６８３－１７の軸受鋼、ＳＵＪ２～５鋼、１００ＣｒＭｎＳｉ６－４鋼等が挙げられるが、ＳＵＪ２～５鋼、１００ＣｒＭｎＳｉ６－４鋼が好ましい。

　そして、このような高炭素軸受鋼からなる丸棒を熱処理して、図１に示すように、硬さＨｖ５００以上の有効硬化層１０を形成する。その際、本発明では、有効硬化層１０をねじ軸１の直径Ｄに対して、表面からの深さが、ねじ軸１の直径Ｄの６０％以下となるように形成する。螺旋溝１５は有効硬化層１０の領域内、即ち螺旋溝１５の溝底が硬化層１０の表面からの距離よりも浅くなるように形成される。尚、図中のＣはねじ軸１の軸線である。

　上記したように、有効硬化層１０がねじ軸１の直径Ｄの６０％以下となる深さまで形成されるが、これは硬さＨＶ５００未満である非硬化層１１が、その線分Ｌが４０％以上となるように形成されることを意味する。非硬化層１１は、フェライト相とセメンタイト相とを含有するバーライト等の金属組織であるが、フェライト相は炭素量が十分に低いため、長時間の使用中でも殆ど変化を起こさず、表層の硬化層が芯部に拘束される結果、熱処理により生じた表層の残留オーステナイト量が多くなっても軸方向の寸法変化を殆ど生じなくなる。このような効果を得るためには、非硬化層１１の線分Ｌが、ねじ軸１の直径Ｄの４０％以上であればよく、６０％以上がより効果的である。

　搬送・位置決め用のボールねじ装置では、軸長が長い製品が多く存在するが、熱処理によりねじ軸に変形（曲り）が生じると、形状の調整のために大きな手間がかかる。この曲りの発生は、高周波加熱に伴い残留応力が発生すること、機械加工により硬化層が除去される際に応力バランスが崩れることに起因している。本発明で用いる高炭素軸受鋼のように素材の炭素量が多くなると、残留応力の絶対値が大きくなり、その影響が大きくなるが、ねじ軸が回転対称形であることから、硬化層が表面から均一深さで形成されていれば、応力解放も均一になり、曲りが抑制される。即ち、図１において点線で示される、有効硬化層１０と非硬化層１１との境界Ｋから軸線Ｃまでの距離（ここではＬ／２）が、螺旋溝１５が形成されるねじ部全長にわたり、２．５以下の標準偏差で形成されることが好ましい。この標準偏差は小さいほど好ましく、１．０以下が好ましい。

　上述したような有効硬化層１０及び非硬化層１１を形成するには、熱処理方法として高周波熱処理が好ましい。この高周波熱処理では、高周波電源に接続したコイルに丸棒素材を挿通し、コイルに高周波電流を流す。それにより、高周波の電磁場によって丸棒素材の表面に渦電流が流れ、丸棒素材の表面が加熱される。そして、コイルを丸棒素材の軸方向に移動させることにより、丸棒素材を全長にわたり加熱する。加熱後、丸棒素材に水溶性焼入れ液を溶解した水溶液等を噴射して急冷する。コイルによる丸棒素材の深さ方向における加熱領域は一定であり、有効硬化層１０を丸棒素材の軸線（ねじ軸１の軸線Ｃに相当）とほぼ平行に形成することができ、有効硬化層１０と非硬化層１１との境界Ｋを標準偏差２．５以下に低く抑えることができる。

　尚、高周波の周波数や出力、処理時間（コイルの移動速度）等の処理条件は、有効硬化層１０及び非硬化層１１が上記のように形成されるように、ねじ軸の寸法（特に直径）に応じて適宜設定する。

　ねじ軸の変形は、軸方向の収縮に加えて、曲がり変形があるが、曲がり方向とは逆方向に荷重を掛けることにより矯正することができる。ねじ軸の変形は、軸径が部分的に細くなる溝底の塑性変形によりまかなわれる。その際、基地への炭素の溶け込み量が少ないほど変形に対して有利であり、そのため、炭化物面積率を１．５％以上、好ましくは２．５％以上にすることにより、変形矯正しやすくなり、矯正時の割れを防ぐことができる。

　一般に、硬度が低下するほど抗折強度が高くなる傾向がある。しかし、高炭素鋼では溶け込み量が増して柔らかい組織である残留オーステナイトが多くなり、結果として硬度が低下するため、評価指標としては適さない。妥当な評価指標としては、直接的にはマルテンサイト中の炭素の固溶量であるが、この固溶量を定量的に測定することは簡便ではない。しかし、固溶炭素量は素材の炭素量から、固溶していない炭素量、即ち表面に残存する炭素量を差し引くことにより簡易的に求めることができ、本発明では、表面の炭化物の量、即ち、炭化物面積率で規定する。そして、この炭化物面積率が多くなる（固溶炭素量が少なくなる）ことにより、抗折強度が向上して曲げ矯正時に割れ等が発生しなくなり、上記したように炭化物面積率を１．５％以上、好ましくは２．５％以上とする。

　また、ねじ軸１は、径方向断面において、平均残量オーステナイト量が４．５体積％以下であることが好ましい。この平均残留オーステナイト量が４．５体積％を超えると、寸法変化率が大きくなる。尚、寸法変化を抑えつつ、異物混入下での寿命向上を図るためには、表面での残留オーステナイト量を５～４０体積％とすることが好ましい。

　更には、ねじ軸１は、転動体（図示せず）との間に高い接触面圧が加わるため、軌道面の表面から深さ２００μｍまでの領域における表面硬度（ＨＲＣ）が高いほど好ましく、ＨＲＣ５４以上にする。しかも、圧痕による摩耗をより防ぐために、下記式３で算出される値が３５～５２２であることが好ましく、１１４～３９１であることがより好ましい。
　式３＝３［Ｃ］×（ＨＲＣ－５４）^２＋０．９×｛（炭化物面積率―１）／［Ｃ］）｝^２
（式中、［Ｃ］は鋼材中のＣ含有量（質量％）であり、ＨＲＣは転動面表面から２００μｍ深さまでの硬さである。）

　以上に加えて、ボールねじ装置ではねじ軸１が露出しているため異物が付着しやすく、異物による表面起点型のはく離が発生しやすいが、表面の残留オーステナイト量を高めることにより剥離の発生を抑えることができる。具体的には、剥離発生を効果的に抑えるために、残留オーステナイト量を１５体積％以上、好ましくは２０体積％以上とする。しかし、残留オーステナイト量が４０体積％より多くなるとミクロ組織の粗大化が起こるため、上限は４０体積％が好ましい。また、このような表面の残留オーステナイト量を４０体積％以下にすることにより、軸方向の寸法安定性にも優れるようになる。

　本発明においては、ねじ軸１の作製に当たり、高周波熱処理の後に螺旋溝１５を形成してもよいし、螺旋溝１５を形成した後に高周波熱処理を施してもよいが、上記のように有効硬化層１０と非硬化層１１との境界Ｋの標準偏差を２．５以下にするには、高周波熱処理した後に螺旋溝１５を形成することが好ましい。

　以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（試験１）
　表１に示す合金組成の高炭素軸受鋼からなり、研磨による取り代を考慮して径を決定した棒状試験片を用意し、周波数１００～２００ｋＨｚにて高周波熱処理による移動焼きを施した。次いで、１６０～２００℃で２時間の焼戻し処理を行い、研磨により黒皮表面から２００μｍ除去した後、下記条件にて寿命試験に供した。尚、転動体は、ホールねじ装置の剥離を再現するために、下記に示すように、予め表面粗さを悪くしたボールを用いた。また、下記の式１からＭｓ点を算出した。結果を表２及び図２に示すが、比較例２に対する相対値（寿命比）で示す。
　式１＝５５０－３６１［Ｃ］－３９［Ｍｎ］－２０［Ｃｒ］－１７［Ｎｉ］－５［Ｍｏ］
＜試験条件＞
・試験片・・・φ１２．６ｍｍ、棒状試験片
・転動体・・・材質：ＳＵＪ２、サイズ：１／２インチ、表面粗さ：０．３μｍＲａ
・面圧・・・・５．５ＧＰａ
・潤滑・・・・油浴潤滑、ＶＧ６８

　表２及び図２に示すように、実施例１～５において寿命延長効果が認められており、Ｍｓ点が１７３℃以下であれば良いことがわかる。

（試験２）
　表３に示すように表１に示す鋼材からなる棒状試験片を用い、この棒状試験片を周波数３０～１００ｋＨｚにて高周波熱処理による移動焼きを施した後、１６０～２００℃で２時間の焼戻し処理を行い、研磨により黒皮表面から４ｍｍ除去した後、試験１と同様の寿命試験に供した。また、下記式２からＤＩ値を算出した。結果を表３及び図３に示すが、比較例３に対する相対値（寿命比）で示す。
　式２＝（０．２［Ｃ］＋０．１４）×（０．６４［Ｓｉ］＋１）×（４・１［Ｍｎ］＋１）×（２．３３［Ｃｒ］＋１）×（３．１４［Ｍｏ］＋１）×（０．５２［Ｎｉ］＋１）

　表３及び図３に示すように、実施例６～１０において寿命延長効果が認められており、ＤＩ値が２．８以上であれば良いことがわかる。また、実施例６と実施例８とはほぼ同じＤＩ値であるが、実施例８の方が寿命が延びている。これは、４ｍｍの取り代位置において、両者の品質の差異が生じたことに起因していると考えられる。即ち、実施例６では鋼材Ａ（Ｍｓ点１５５℃）、実施例８では鋼材Ｃ（Ｍｓ点１７２℃）を使用しており、寿命延長効果には、一定水準以上の熱処理品質を得ることが必要であり、ＤＩ値とＭｓ点との両方の影響を受けることがわかる。

（試験３）
　表４に示すように表１に示す鋼材からなる棒状試験片を用い、高周波熱処理し、焼戻し後、螺旋溝を切削加工及び研磨加工してねじ軸を作製した。ねじ軸の仕様は以下の通りである。そして、作製したねじ軸について、軸断面における硬さＨｖ５００以上の有効硬化層の割合（％）、表面の残留オーステナイト量（体積％）、軸断面における平均残留オーステナイト量（体積％）を測定した。尚、表面の残留オーステナイト量とは、軌道面表面から５０μｍ深さにおける残留オーステナイト量であり、軌道面表面から５０μｍ分表層を取り除いた後、Ｘ線により測定した。また、芯部（硬さＨｖ５００未満の領域）について化学分析して金属組織を求めた。更に、１５０℃程度で焼戻しを行ったときの軸方向の寸法変化率を測定し、比較例６に対する相対値（寸法変化率比）を求めた、それぞれの結果を表４に示すとともに、図４に平均残留オーステナイト量と軸方向の寸法変化率との関係、図５に有効硬化層割合と軸方向の寸法変化率との関係を、それぞれグラフ化して示す。

　実施例１１～１８では、平均残留オーステナイト量が増加しても軸方向の寸法が殆ど変化しない。これに対し比較例４、５では、平均残留オーステナイト量の増加に伴い軸方向の寸法も増加している。このことから、平均残留オーステナイト量を４．５体積％以下にすることにより、軸方向の寸法変化を防止する効果が得られることがわかる。

　また、比較例１１～１８では、断面における有効硬化層の割合が増加しても軸方向の寸法が殆ど変化しない。これに対し比較例４、５では、有効硬化層の割合が増加するのに伴い軸方向の寸法も増加している。このことから、有効硬化層の割合を６０％以下にすることにより、軸方向の寸法変化を防止する効果が得られることがわかる。

　更に、実施例１１～１８では表面の残留オーステナイト量が４０体積％以下であり、軸方向の寸法安定性を得るには表面の残留オーステナイト量を４０体積％以下にすればよいこがわかる。

　尚、芯部の組織評価の結果、比較例６以外は、何れもフェライト相とセメンタイト相とからなるパーライトであった。

（試験４）
　表５に示すように表１に示す鋼材からなる棒状試験片を用い、高周波熱処理後に切削加工を施してスラスト玉軸受の軌道輪を作製した。そして、下記条件にて微小振動試験を実施して耐フレッチング摩耗性を評価した。本試験では、試験後の摩耗痕の摩耗深さを測定し、その形状から摩耗体積を求めた。

　また、軌道面の表面硬さ及び炭化物面積率を測定した。ここで、表面硬さは転動面表面から２００μｍ深さまでの硬さであり、炭化物面積率は転動面から深さ５０μｍ以下の領域に存在する炭化物が占める面積の割合である。結果を表５及び図６に示すが、比較例８の摩耗体積に対する相対値（損傷比）で示す。尚、比較例８は、現行の搬送・位置決め用ボールねじ装置のねじ軸に使用される材料を模したものである。
＜試験条件＞
・試験対象：内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、高さ１８ｍｍの単式スラスト玉軸受
・最大面圧：３．２ＧＰａ
・最大揺動速度：２０ｍｍ／ｓ
・揺動回数：１００００回
・揺動角：１．４４～４．８６°

　炭化物面積率が増すのに伴って損傷比が低下する傾向にあるが、炭化物面積率が１．５％以上において、現行品（比較例８）と比べて摩耗を大幅に低減することができる。実施例１９～３０では、炭化物面積率が１．５％以上である。

　このように、軌道面表面の硬さが高く、炭化物面積率が高く、炭素量が多いほど摩耗しにくくなり耐フレッチング摩耗性に優れるようになるが、これら３つのパラメータで構成される式３と、上記で得た損傷比との間に関係があることを見出した。
　式３＝３［Ｃ］×（ＨＲＣ－５４）^２＋０．９×｛（炭化物面積率―１）／［Ｃ］）｝^２

　式３の値を表５に併記するとともに、図７に損傷比との関係をグラフ化して示すが、実施例１９～３０においては式３の値が３５～５２２の範囲にあり、損傷比が小さくなっている。

　以上から、素材に高炭素軸受鋼を用い、転動疲労を受ける軌道面表面の硬さが組成変形を起こさない硬さ、具体的にはＨＲＣ５４以上であり、炭化物面積率が１．５％以上であり、更には式３の値が３５～５２２にすることにより、耐フレッチング摩耗性を大きく向上させることができる。

（試験５）
　表６に示すように表１に示す鋼材からなる棒状試験片を用い、ボールねじ装置ＢＳ３６１０のねじ軸を作製した。その際、実施例３１～４８では、高周波熱処理した後に溝切削を行い（ＩＨ→切削）、実施例４９では溝切削後に高周波熱処理した（切削→ＩＨ）。また、比較例９では、熱処理として浸炭処理を行った後、溝切削を行った。そして、熱処理前後にねじ軸の中心に対して垂直方向に生じる曲がり量を測定し、比較例９の曲がり量に対する相対値（曲がり比）を求めた。また、作製したねじ軸の平均残留オーステナイト量、並びに１リード当たり山部と溝底部との２ラインにおける有効硬化層と非硬化層との境界からねじ軸の軸線までの距離を測定し、これを５リード分測定して有効硬化層深さの標準偏差を求めた。結果を表６に併記するとともに、有効硬化層深さの標準偏差と曲がり比との関係を図８にグラフ化して示す。

　これらの結果から、曲がり対策としては、高周波熱処理を施し、平均残留オーステナイト量を少なくし、更には有効硬化層深さの標準偏差を小さくすることが有効であることがわかる。特に、実施例３１～４８のように、高周波熱処理の後に溝形成を行うことにより有効硬化層深さの標準偏差を２．５以下にすることでき、製造工程として好ましいといえる。尚、標準偏差は１．０以下がより好ましい。

（試験６）
　上記試験結果を基に、ボールねじ装置ＢＳ３６１０を作製し、下記条件により耐久性試験を行い、比較例１０の寿命、寸法変化率及び損傷に対する相対値（寿命比、寸法変化率非、損傷比）を求めた。結果を表７に併記する。
＜試験条件＞
・ねじ軸の外径：３６ｍｍ
・リード：１０ｍｍ
・ボールの直径：１／４インチ
・試験荷重：１８ｋＮ
・最高回転速度：１５００ｍｉｎ^－１
・ナットの素材：６６ナイロン
・セパレータの材質：６６ナイロン
・循環方式：リターンチューブ方式
・潤滑剤：リューベ株式会社製「ＹＳ２グリース」

　表７に示すように、実施例５０～５５は、Ｍｓ点が１７２℃以下、ＤＩ値が２．８以上、有効硬化層割合が６０％以下であり、更に、平均残留オーステナイト量が４．５体積％以下、軌道面表面の炭化物面積率が１．５％以上であり、何れも現行品に対して寿命比、寸法安定率比、損傷比を大きく上回っている。

　また、軌道面の表面残留オーステナイト及び硬さ、平均残留オーステナイト量で表される式４の値と、寿命比との間に相関があることを見出した。表７に式４の値を併記するとともに、図９に式４の値と寿命比との関係をグラフ化して示すが、式４の値が５．４以上であれば寿命比に優れるようになる。式４の値は、８．６～７６．６であることがより好ましい。
　式４＝表面残留オーステナイト量×平均残留オーステナイト量×表面硬さ／１００

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１４年５月３０日出願の日本特許出願（特願２０１４－１１２３８６）、２０１４年６月１０日出願の日本特許出願（特願２０１４－１１９６９７）、２０１４年１１月４日出願の日本特許出願（特願２０１４－２２４０３３）、２０１５年１月２６日出願の日本特許出願（特願２０１５－０１２６１０）、２０１５年１月２７日出願の日本特許出願（特願２０１５－０１３６２６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明のボールねじ装置は、優れた寸法安定性と耐摩耗性とを両立させたねじ軸を備えることから、特に搬送・位置決め用に適したボールねじ装置に有用である。

１　ねじ軸
１０　有効硬化層
１１　非硬化層
１５　螺旋溝

Claims

　外周面に螺旋溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸の螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有するボールナットと、前記両螺旋溝間に介挿されるとともにボールナットに設けたボール循環路によって循環可能とされた複数個のボールとを備えるボールねじ装置において、
　前記ねじ軸が、下記式１で算出されるＭｓ点が１７２℃以下で、下記式２で算出されるＤＩ値が２．８以上である高炭素軸受鋼からなり、かつ、
　硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層の表面からの深さを、ねじ軸の直径の６０％以下にするとともに、硬さがＨＶ５００未満である非硬化層がフェライト相及びセメンタイト相を含有する金属組織で、軌道面表面の炭化物面積率が１．５面積％以上であることを特徴とするボールねじ装置。
　式１＝５５０－３６１［Ｃ］－３９［Ｍｎ］－２０［Ｃｒ］－１７［Ｎｉ］－５［Ｍｏ］
　式２＝（０．２［Ｃ］＋０．１４）×（０．６４［Ｓｉ］＋１）×（４．１［Ｍｎ］＋１）×（２．３３［Ｃｒ］＋１）×（３．１４［Ｍｏ］＋１）×（０．５２［Ｎｉ］＋１）
（式中、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎｉ］は、鋼材中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの各含有量（質量％）である。）
　前記ねじ軸の径方向断面における平均残留オーステナイト量が、４．５体積％以下であることを特徴とする請求項１記載のボールねじ装置。
　前記ねじ軸の転動面において、下記式３で算出される値が３５～５２２であることを特徴とする請求項１または２記載のボールねじ装置。
　式３＝３［Ｃ］×（ＨＲＣ－５４）^２＋０．９×｛（炭化物面積率―１）／［Ｃ］）｝^２
（式中、［Ｃ］は鋼材中のＣ含有量（質量％）であり、ＨＲＣは転動面表面から２００μｍ深さまでの硬さである。）
　前記ねじ軸において、有効硬化層と非硬化層との境界から該ねじ軸の軸線までの距離が、該ねじ軸の螺旋溝が形成されたねじ部の全長にわたり２．５以下の標準偏差となるように有効硬化層及び非硬化層が形成されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のボールねじ装置。